银河系中心黑洞的照片

人类刚刚得到了第二张关于黑洞的“照片”。与2019年得到的第一张黑洞“照片”相比，这张照片的意义有所不同，这是银河系中心超大质量黑洞“Sagittarius A*”的照片。时隔三年，由同一个科学团队“事件视界望远镜合作项目”（Event Horizon Telescope Collaboration）发布，又一次吸引了全世界的关注。

大多数人对黑洞概念并不算陌生。这是一种宇宙中特殊的天体。因为极其致密，在它的引力范围内就连光都无法逃脱。从这个角度来说，人类当然不可能真的看到一个黑洞。但就因为黑洞的引力效应极为强大，在它的“视界”附近，很多物质会被它的引力加速，获得巨大的能量，进而发出耀眼的光芒。因此我们望向黑洞，就可能看到在一个黑色的中心区域周围有一圈明亮的物质。如果能获得这样的图像，得到了黑洞的“照片”，也就相当于获得了黑洞存在的最直接证据。

问题在于，该如何拍摄到黑洞的照片呢？事件视界望远镜合作项目对此早有准备，但仍然需要谨慎选择拍摄对象。他们一开始确定了两个目标，一个是银河系中心黑洞Sagittarius A，另一个是银河系附近的一个星系“M87”中心的超大质量黑洞“M87*”。最终，他们之所以选择距离地球5500万光年的M87*作为第一个拍摄对象，是因为这项工作相比之下更容易一些。在2019年发布了黑洞M87*的照片之后，科学家们立刻开始拍摄难度更大，也与人类关系更加密切的黑洞Sagittarius A*。

总共有8个射电天文台、超过300名科学家参与了这项历时数年的工作。比较M87*和Sagittarius A*两个黑洞，从地球看过去，它们差不多大小，但实际上有很大的不同。它们各自所在的星系性质不同，另外，黑洞M87*与地球的距离是黑洞Sagittarius A*与地球距离的2000多倍，质量也相当于它的1600倍。

之所以说拍摄黑洞Sagittarius A*的难度更大，是因为这个黑洞处于银河系的中心位置。而在银河系的中心区域，有大量的星际尘埃和气体。想要通过某种手段“看到”黑洞，需要首先穿过这些星际物质。这如同是透过一个结霜的窗户向外看，很难看得清楚。要看得尽量清楚，就需要仔细选择电磁波的波段，以及尽量扩大望远镜的面积。

想在可见光的频率范围观测黑洞Sagittarius A*完全不可能，利用射电信号可以穿过星际尘埃，但是其成像的解析度又远远不足以让人观测到这个相对极小的黑洞。天文学家们只能选择相对波长较短的电磁波。这就需要在高海拔地区建设天文望远镜，以避开大气层中水蒸气的干扰。另外，天文学观测中成像的清晰度与望远镜的大小有直接关系。有人曾经计算过，想要拍摄到黑洞Sagittarius A*的清晰照片，需要使用像地球一样大的望远镜。该如何达到这样的规模？天文学家们使用一种“甚长基线干涉测量技术”（very long baseline interferometry），让世界各地的望远镜协同工作，一同望向银河系的中心。这就相当于每一个望远镜都成为了一个超级望远镜的一部分。而后再使用超级计算机把所有的数据组合起来，以获得黑洞Sagittarius A*的清晰图像。

相比于黑洞M87*，黑洞Sagittarius A*要更加“安静”。也就是说，围绕在其周围以接近光速的速度运转的气体中，只有少数被引力吸入了黑洞，其中又只有1/1000被转化为光能。这大概是因为在银河系中心区域的物质密度并不算太高。2020年诺贝尔物理学奖得主赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）在接受本刊采访时曾经谈到，银河系围绕着它的重心旋转，而这恰好是黑洞Sagittarius A*所在的位置。在银河系的中心区域，已经没有太多的物质可以落入黑洞了。所以黑洞Sagittarius A*不会再有大幅的增长。

尽管相对安静，围绕黑洞Sagittarius A*运动的明亮气体还是给拍摄增加了难度。相对于黑洞M87*，黑洞Sagittarius A*要小得多，那么气体围绕其一圈所需的时间也就少得多了。科学家们可以连续几天对黑洞M87*进行观测，它的图像看上去都相对稳定。但是，黑洞Sagittarius A*周围的气体围绕其运转一圈最多只需要十多分钟，这就让望远镜拍摄到的每一张图像都不一样。想要取得一张清晰的图像，天文学家们只能不停地拍摄，然后把海量信息叠加起来，突出黑洞Sagittarius A*最重要的特点。

最终，事件视界望远镜合作项目的天文学家们获得了黑洞Sagittarius A*的清晰照片。他们也把这项工作成果写成论文《通过事件视界望远镜聚集在Sagittarius A*黑洞》（Focus on First Sgr A* Results from the Event Horizon Telescope）发表在《天文物理学期刊通讯》（The Astrophysical Journal Letters）上。

黑洞这个概念似乎非常容易深入人心。现在大多数人都已经知道在宇宙中遍布着黑洞，在银河系的中心区域也有一个超大质量黑洞。实际上，人类直到2002年才最终确认了黑洞Sagittarius A*的存在。两位对着银河系中心区域持续观测超过20年的天文学家赖因哈德·根策尔和安德烈娅·盖兹（Andrea M.Ghez）也因此获得了2020年诺贝尔物理学奖。

最终获得的黑洞Sagittarius A*的照片，最让人惊奇的地方就在于它没有给人带来任何惊奇。这张照片所揭示的黑洞Sagittarius A*的信息，居然与人们之前通过其他方法对它的估算惊人地一致，这就说明，人类目前的天文学手段依然精确有效，而我们所生活的宇宙，仍然被由广义相对论所描述的引力所主宰。

（本文写作参考了《科学》《自然》杂志和美国航空航天局的相关报道） 黑洞科学天文超级黑洞银河系黑洞银河系中心望远镜